Er含量對汽車發(fā)動機用AM50合金組織與耐蝕性的影響

文愛民,謝 劍,劉奕貫,胡 俊

(南京交通職業(yè)技術學院，南京 211188)

Er含量對汽車發(fā)動機用AM50合金組織與耐蝕性的影響

文愛民,謝 劍,劉奕貫,胡 俊

(南京交通職業(yè)技術學院，南京 211188)

對汽車發(fā)動機用AM50合金進行了Er合金化處理；采用掃描電鏡(SEM)，X射線衍射儀(XRD)，浸泡試驗和電化學試驗研究了Er含量對AM50合金組織和耐蝕性的影響。結果表明：Er微合金化的AM50合金中除了含有α-Mg相和β-Mg17Al12相外，還形成了Al7ErMn5相和Al3Er相；隨著Er含量的增加，合金的腐蝕速率總體表現為先降低而后升高的趨勢，腐蝕后抗拉強度呈現先增加而后降低的趨勢，而強度損失呈現先減小而后增大的趨勢； Er添加量為0.5%(質量分數)時，AM50合金具有最佳耐蝕性和拉伸性能。

汽車發(fā)動機；AM50合金；Er微合金化；腐蝕速率；抗拉強度

鎂合金是以鎂為基體加入其他金屬元素組成的合金，具有密度小、比強度高、比彈性模量大、散熱好、消震性好等優(yōu)點，被廣泛應用于汽車、交通等領域[1]。汽車行駛時，60%燃料的消耗于汽車自重，汽車自重每減輕10%，其燃油效率可提高5%以上，而鎂合金作為最輕的結構金屬材料之一，在殼體類和支架類汽車零部件領域有著較為明顯的優(yōu)勢。然而，鎂合金的耐蝕性較差，不能滿足服役條件對材料的要求，因此提高鎂合金的耐蝕性有利于其推廣應用。常用的改善鎂合金耐腐蝕的方法主要包括微合金化和熱處理等[2]。其中，微合金化元素主要有Al、Zn、Mn、Ce以及少量Zr或Cr等。近年來，稀土元素Er在有色合金中的應用得到科研工作者的關注。研究表明,在鎂合金中添加Er可以一定程度提高合金的常溫和高溫力學性能[3-4]。然而，關于Er元素對鎂合金耐蝕性影響方面的報道還較少。本工作通過在發(fā)動機用AM50合金中添加Er進行微合金化，研究了Er含量對AM50合金組織與耐蝕性的影響。

1 試驗

試驗原料為高純Mg(99.99%)、高純Al(99.99%)、Al-10Mn中間合金、Er-Mg中間合金等。在真空感應熔煉爐中對AM50合金進行了熔煉，并通過添加Er對其進行微合金化。熔煉過程中采用氬氣進行保護以防止鎂合金的燃燒和氧化，澆注溫度控制在710 ℃，通過添加中間合金和高純Al來調節(jié)合金成分，共制備了六種不同Er含量的AM50合金，其化學成分及相應編號見表1。

表1 試驗合金的化學成分(質量分數)

采用D8-Advance X射線衍射儀(XRD)對鑄態(tài)合金的物相進行了分析。采用JSM-6800型掃描電鏡(SEM)對合金表面形貌進行了觀察，并采用附帶的能譜分析儀(EDS)對微區(qū)成分進行了測定。

電化學極化曲線測試在Zennium E型電化學工作站中進行，試樣為10 mm×10 mm×10 mm的塊狀，測試溶液為3.5% NaCl(質量分數，下同)溶液，掃描速率為10 mV/s[5]。

腐蝕浸泡試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，試樣經打磨和拋光處理后，用丙酮和酒精清洗并吹干備用。腐蝕介質為3.5% NaCl溶液，浸泡時間分別為24，72，168 h。采用失重法計算腐蝕速率。

拉伸試樣分別為腐蝕前后的試樣。采用硝酸銀溶液去除腐蝕后試樣表面腐蝕產物，并用清水和酒精沖洗后吹干。拉伸試驗在MTS-810型液壓伺服電子萬能拉伸機上進行，拉伸速率為1 mm/min。

2 結果與討論

2.1 顯微組織和相組成

對AM50Er0合金鑄錠進行物相分析和顯微組織觀察，結果如圖1所示。由圖1(a)可見，鑄態(tài)AM50Er0合金主要由α-Mg固溶體和初生β-Mg17Al12相組成，XRD譜中部分α-Mg相衍射峰和β-Mg17Al12相衍射峰重合；由圖1(b)可見，在AM50Er0合金中存在較多的白色顆粒狀析出相以及少量的白色針狀析出相。能譜分析(圖略)結果表明,白色顆粒狀析出相主要含有Al和Mg元素，而白色針狀析出相主要含有Al和Mn元素，黑灰色區(qū)域則主要含有Mg元素。結合XRD譜和文獻[6]可知，黑灰色區(qū)域為α-Mg固溶體，白色顆粒狀的物質為β-Mg17Al12相，而針狀白色物質為Al8Mn5相。

(a) XRD譜

(b) SEM圖圖1 鑄態(tài)AM50Er0合金的XRD譜和SEM圖Fig. 1 XRD pattern (a) and SEM image (b) of cast AM50Er0 alloy

由圖2可見：經Er微合金化后，AM50合金中除了含有α-Mg相和β-Mg17Al12相外，還有Al7ErMn5相和Al3Er相；不同Er含量的AM50合金中的物相種類相同，但隨著AM50合金中Er含量的增加，Al3Er相的含量逐漸增加，而β-Mg17Al12相的含量逐漸減少。這主要是由于隨著Er含量的增加，AM50合金中初生的Al3Er相的含量有所增加，這種初生相的形成優(yōu)先于β-Mg17Al12相[7]，且消耗了合金中的Al原子，使AM50合金中Al含量減少，因此β-Mg17Al12相的含量會有所降低。

圖2 不同Er含量的AM50合金的XRD譜Fig. 2 XRD patterns of AM50 alloys with different Er content

由圖3可見：AM50Er0合金中除了α-Mg相和β-Mg17Al12相外，有少量針狀Al-Mn相存在，其中β-Mg17Al12相主要分布在晶界；在合金中添加稀土元素Er后，AM50合金中開始出現了更加白亮的Al7ErMn5相和Al3Er相，合金的組織有一定細化。AM50Er1合金中，Al7ErMn5相和Al3Er相的含量相對較少，尺寸較為細小；隨著合金中Er含量的增加，合金中Al7ErMn5相和Al3Er相的數量和含量有所增加。對合金中白亮色的物相進行能譜分析(圖略),結果表明，這些亮白色區(qū)域主要含有Mg、Al、Mn和Er元素，且Mn元素和Er元素經常是伴生出現，這主要取決于合金凝固過程中的熱力學條件。在合金凝固過程中，Er元素會在α-Mg的界面前沿聚集并造成成分過冷，枝晶間距不斷減小和細化；此外，Er元素還對β-Mg17Al12相的粗化和長大起到一定的抑制作用。

2.2 極化曲線

由圖4(a)可見：在Er微合金化AM50合金的極化曲線上，隨著Er含量的增加，合金的自腐蝕電位呈現先正向移動而后負向移動的趨勢， AM50Er4合金的自腐蝕電位的最大，為-1.49 V；相應地，自腐蝕電流密度也呈現先減小而后增大，AM50Er4合金的自腐蝕電流密度最小。由圖4(b)可見：對比AM50Er0和AM50Er4合金的Tafel區(qū)域，前者的自腐蝕電位(-1.52 V)比后者的(-1.49 V)更負，且陰極電流密度和陽極電流密度也相對更低。這說明在AM50合金中添加Er元素，能使合金的耐蝕性得到提高。這是因為:Er元素的加入可以增加表面腐蝕膜層的致密性，在腐蝕過程中抑制腐蝕溶液對基體組織的侵蝕；此外，Er元素的加入可以使陰極處β-Mg17Al12相的含量降低，減少腐蝕過程中腐蝕電偶的數量[8]。但是，合金中Er元素含量過多，會導致含Er金屬間化合物的數量增加和尺寸變大，金屬間化合物與β-Mg17Al12相形成微電偶的數量也會增加，從而使析氫反應的加速，陰極反應的腐蝕電流密度增大，合金的耐蝕性反而會降低。

2.3 腐蝕速率

由圖5可見：當腐蝕時間相同時，隨著Er含量的增加，AM50合金的腐蝕速率總體表現為先降低而后升高的趨勢；AM50Er2和AM50Er3合金的腐蝕速率相差不大，但都小于AM50Er1合金的，AM50Er4合金的腐蝕速率僅次于AM50Er1合金的。腐蝕浸泡試驗結果與電化學測試結果存在一定的差異，因為在清洗過程中AM50Er4和AM50Er5合金中部分尺寸較大的Al7ErMn5相和Al3Er相出現了脫落，使得腐蝕浸泡試驗數據存在一定誤差。

(a) AM50Er0 (b) AM50Er1 (c) AM50Er2

(d) AM50Er3 (e) AM50Er4 (f) AM50Er5圖3 不同Er含量AM50合金的SEM圖Fig. 3 SEM images of AM50 alloys with different Er content

(a) 極化曲線

(b) Tafel區(qū)圖4 不同Er含量AM50合金的極化曲線及Tafel區(qū)Fig. 4 Polarization curves (a) and Tafel region (b) of AM50 alloys with different Er content

圖5 不同Er含量的AM50合金在3.5% NaCl溶液中浸泡不同時間時的腐蝕速率Fig. 5 Corrosion rates of AM50 alloys with different Er content immersed in 3.5% NaCl solution for different times

由圖6可見：隨著腐蝕時間的延長，AM50Er0合金和AM50Er4合金的腐蝕速率呈先降低而后逐漸趨于平穩(wěn)的特征，AM50Er4合金的腐蝕速率明顯低于AM50Er0合金的，二者在相同的腐蝕時間內腐蝕速率相差4倍左右。由此可見，Er元素的添加極大地提高了AM50合金的耐蝕性。

圖6 AM50Er0合金和AM50Er4合金腐蝕速率比較Fig. 6 Comparison of corrosion rate between AM50Er0 alloy and AM50Er4 alloy

由圖7可見：經過72 h浸泡腐蝕后，AM50Er0合金表面出現了較多的連續(xù)腐蝕坑；當在AM50合金中添加Er元素后，合金表面的腐蝕坑數量明顯減少，且AM50Er2合金表面的腐蝕坑的面積最小。AM50合金中添加Er元素可以細化合金組織，降低合金中β-Mg17Al12相的數量，從而抑制了由于電位不同而產生的微電偶腐蝕反應[8]；此外，Er元素的添加還在一定程度上改善了腐蝕膜層的結構起到了抑制腐蝕坑形成的作用。但是并不是Er添加量越多越好，如果合金中含Er金屬間化合物的數量和體積增加至一定程度時，這種化合物會成為新的陰極而發(fā)生原電池反應，導致腐蝕速率的增大，合金的耐蝕性反而降低。

2.4 拉伸性能

由圖8(a)可見，在同樣的腐蝕時間下，隨著AM50合金中Er含量的增加，合金的抗拉強度呈先增加而后降低的趨勢，在Er質量分數為0.5%時,合金的抗拉強度最大。強度損失為合金腐蝕前后抗拉強度的差值。從圖8(b)可見，隨著AM50合金中Er含量的增加，強度損失呈現先減小而后增大的趨勢，Er質量分數為0.5%時，合金的強度損失最小。Er元素在AM50合金中可以起到細晶強化、固溶強化和第二相強化的作用[9]，因此合金的常溫拉伸性能會有所增強。此外，Er元素在腐蝕過程中會以氧化物形式進入到表面腐蝕膜層中，并在凝固過程中抑制β-Mg17Al12相的形成，從而減少局部微電偶反應發(fā)生，從整體上降低了合金發(fā)生腐蝕反應的可能性，改善了合金的耐蝕性。由此可見，Er質量分數為0.5%時,AM50合金具有最佳的拉伸性能和耐蝕性。

(a) AM50 (b) AM50Er1 (c) AM50Er2

(a) 抗拉強度

(b) 強度損失圖8 不同Er含量的AM50合金腐蝕后的抗拉強度和強度損失Fig. 8 Tensile strength (a) and strength loss (b) of AM50 alloys with different Er content after corrosion

3 結論

(1) 未添加Er的鑄態(tài)AM50合金主要由α-Mg固溶體和初生β-Mg17Al12相組成；經過Er微合金化后，AM50合金中除了α-Mg相和β-Mg17Al12相外，還含有Al7ErMn5相和Al3Er相。

(2) 當腐蝕時間相同時，隨著Er含量的增加，AM50合金的腐蝕速率總體表現為先降低而后升高的趨勢。AM50Er2和AM50Er3合金的腐蝕速率相差不大，但都小于AM50Er1合金的，AM50Er4合金的腐蝕速率僅次于AM50Er1合金的。

(3) 隨著AM50合金中Er元素含量的增加，腐蝕后合金的抗拉強度呈現先增加而后降低的趨勢，在Er質量分數為0.5%時拉強度最大；強度損失隨Er元素含量的增加呈現先減小而后增大的趨勢。

(4)Er質量分數為0.5%時,AM50合金具有最佳的拉伸性能和耐蝕性。

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Effects of Er Content on Microstructure and Corrosion Resistance of AM50 Alloy for Automotive Engine

WEN Aiming, XIE Jian, LIU Yiguan, HU Jun

(Nanjing Communications Institute of Technology, Nanjing 211188, China)

AM50 alloy for automobile engine was microalloyed by addition of Er. The effects of Er content on microstructure and corrosion resistance of AM50 alloy were studied through scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), immersion test and electrochemical test. The results show that the Er-microalloyed AM50 alloy contained phases of α-Mg, β-Mg17Al12, Al7ErMn5and Al3Er. With the increase of Er content, the corrosion rate of the alloy first decreased and then increased in general, but the tensile strength increased first and then decreased, and the strength loss displayed the same tendency with the corrosion rate. The AM50 alloy had the best corrosion resistance and tensile properties when the addition of Er was 0.5% (mass).

automobile engine; AM50 alloy; Er microalloying; corrosion rate; tensile strength

10.11973/fsyfh-201706007

2015-12-20

南京交通職業(yè)技術學院節(jié)能減排創(chuàng)新項目(NJJY2015003)

文愛民(1969-)，副教授,碩士,從事汽車運用和車輛檢測技術研究,13851729539，wenam720@163.com

TG174

A

1005-748X(2017)06-0441-05